2025届高考物理二轮复习讲义：第14讲 原子物理 (含答案)

2025届高考物理二轮复习讲义：第14讲 原子物理
【网络构建】
【关键能力】 紧扣课本,加强对相关概念和规律的理解和记忆.重点掌握原子核式结构的建立过程、原子能级跃迁、核反应、半衰期与质量亏损;也要加强原子物理涉及的物理学史和物理学方法.对结合能和比结合能的理解、半衰期、核能的相关计算是近些年的热点问题.
题型1　原子结构、氢原子能级问题
　　　　　 　　　　　 　　　　　
例1　[2022·浙江6月选考] 如图为氢原子的能级图.大量氢原子处于n=3的激发态,在向低能级跃迁时放出光子,用这些光子照射逸出功为2.29 eV的金属钠.下列说法正确的是(　)
A.逸出光电子的最大初动能为10.80 eV
B.n=3跃迁到n=1放出的光子动量最大
C.有3种频率的光子能使金属钠产生光电效应
D.用0.85 eV的光子照射,氢原子跃迁到n=4激发态

【技法点拨】
1.原子跃迁的几种方法:光照、碰撞等
(1)光照情况下原子吸收能量发生跃迁,要求照射光子的能量必须等于原子的某两个能级差.
(2)入射电子与原子碰撞下引起的跃迁,可吸收部分电子的能量,要求电子的能量必须大于或等于原子的某两个能级差,往往满足动量守恒.
2.原子辐射发光产生的电磁波:红外线、可见光、紫外线与X射线,其中可见光产生时,电子基本上在中部轨道间转移,能级差在1.6~3.1 eV(红光到紫光)之间;不同能级差产生电磁波的频率不同,可对比红光与紫光的差异进行相关知识的分析.
3.一群原子和一个原子不同,一群原子向基态跃迁时发射光子的种类N==.
例2　[2024·浙江1月选考] 氢原子光谱按频率展开的谱线如图所示,此四条谱线满足巴耳末公式=R∞,n=3,4,5,6.用Hδ和Hγ光进行如下实验研究,则 (　)
A.照射同一单缝衍射装置,Hδ光的中央明条纹宽度宽
B.以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖,Hδ光的侧移量小
C.以相同功率发射的细光束,真空中单位长度上Hγ光的平均光子数多
D.相同光强的光分别照射同一光电效应装置,Hγ光的饱和光电流小



【迁移拓展】
1.[2024·开化中学模拟] 目前科学家已经能够制备出量子数n较大的氢原子,已知氢原子第n能级的能量为En=- eV,金属钨的逸出功为4.54 eV,如图是按能量排列的电磁波谱,则 (　)
A.紫外线波段的光子均不能使基态氢原子电离
B.氢原子跃迁时可能会辐射X射线波段的光子
C.足够长时间红外线照射能使金属钨产生光电效应
D.可见光能使n=20的氢原子失去一个电子变成氢离子
题型2　原子核、核反应
　　　　　 　　　　　 　　　　　
例3　[2024·嘉兴模拟] 如图所示的射线测厚仪采用放射性元素Tc作为放射源,其发生β衰变的半衰期为6 h.则该测厚仪 (　)
A.　Tc衰变产物为Nb
B.　Tc衰变的原因是弱相互作用
C.用于监测与控制钢板厚度的最佳选择是β射线
D.20 g放射源Tc经12 h后剩余物质的质量为5 g
【技法点拨】
衰变规律及实质
(1)核衰变规律:m=m0,N=N0.
(2)α衰变和β衰变次数的确定方法
①方法一:由于β衰变不改变质量数,故可以先由质量数改变确定α衰变的次数,再根据电荷数守恒确定β衰变的次数.
②方法二:设α衰变次数为x,β衰变次数为y,根据质量数守恒和电荷数守恒列方程组求解.
例4　[2024·浙江1月选考] 已知氘核质量为2.014 1 u,氚核质量为3.016 1 u,氦核质量为4.002 6 u,中子质量为1.008 7 u,阿伏加德罗常数NA取6.0×1023 mol-1,氘核摩尔质量为2 g/mol,1 u相当于931.5 MeV.关于氘与氚聚变成氦,下列说法正确的是 (　)
A.核反应方程式为HHHen
B.氘核的比结合能比氦核的大
C.氘核与氚核的间距达到10-10 m就能发生核聚变
D.4 g氘完全参与聚变释放出能量的数量级为1025 MeV

【技法点拨】
概念辨析:结合能、比结合能、质量亏损、核能
(1)结合能两种理解,一种是把所有核子分开所做的功,另一种是用比结合能乘核子数.
(2)比结合能大表示核子结合强度大,结合能大不表示结合的强度大,中等大小的核最稳定.
(3)核能不是结合能,只是对应质量亏损释放的能量.
(4)质子与中子发生核反应形成氘核的过程结合能等于核能,这是一个特例.
【迁移拓展】
1.[2023·浙江1月选考] 宇宙射线进入地球大气层与大气作用会产生中子,中子与大气中的氮14会产生以下核反应:NnCH,产生的C能自发进行β衰变,其半衰期为5730年,利用碳14的衰变规律可推断古木的年代.下列说法正确的是(　)
A.　C发生β衰变的产物是N
B.β衰变辐射出的电子来自碳原子的核外电子
C.近年来由于地球的温室效应,引起C的半衰期发生微小变化
D.若测得一古木样品的C含量为活体植物的,则该古木距今约为11 460年
2.(不定项)核能已广泛应用于清洁电力、热力生产等领域,成为全球能源供应的重要组成部分,应进一步扩大核能利用,以减少碳排放,实现可持续发展和气候变化目标.目前核能的利用主要是人工控制下进行的核裂变的链式反应.关于核裂变的链式反应,已知阿伏加德罗常数NA=6.02×1023 mol-1,元电荷e=1.6×10-19 C,下列说法正确的是 (　)
A.裂变产生的快中子,速度越大越有利于反应的进行,无需设法使快中子减速
B.铀核裂变的产物是多样的,比如核反应方程可以是UnBaKr+n
C.一个铀235核裂变可释放200 MeV的能量,1 t标准煤完全燃烧时放出2.93×1010 J的热量,则1 g铀235全部裂变时就相当于2.8 t标准煤完全燃烧时释放的化学能
D.秦山核电站利用的是核裂变产生的能量,裂变比聚变产能效率更高,更为安全、清洁
参考答案与详细解析
题型1
例1　B　[解析] n=3能级跃迁到n=1能级释放光子的能量最大,hν=(-1.51 eV)-(-13.6 eV)=12.09 eV,照射逸出功为2.29 eV的金属钠,最大初动能为Ekm=hν-W=9.8 eV,选项A错误;根据p=,且ΔE=hν=h,联立得ΔE=pc,因此光子能量越大,动量越大,选项B正确;n=3跃迁到n=2放出的光子能量为hν1=(-1.51 eV)-(-3.4 eV)=1.89 eV<2.29 eV,该光子不能使金属钠产生光电效应,故有2种频率的光子能使金属钠产生光电效应,选项C错误;由于从n=3跃迁到n=4能级需要吸收的光子能量为ΔE=(-0.85 eV)-(-1.51 eV)=0.66 eV,所以用0.85 eV的光子照射,不能使氢原子跃迁到n=4激发态,故D错误.
例2　C　[解析] 由图可知Hδ光频率较大、波长较短,则衍射现象较不明显,所以照射同一单缝衍射装置,Hδ光的中央明条纹较窄,选项A错误;由图可知Hδ光频率较大,则介质对其折射率较大,所以以相同的入射角斜射入同一平行玻璃砖,Hδ光的侧移量较大,选项B错误;以相同功率发射的细光束,单位长度上光的能量相同,频率越大,则光子数越少,所以真空中单位长度上Hδ光的平均光子数较少,选项C正确;光强由光子数量和光子能量共同决定,光强相同时,Hγ光的光子能量较小,光子数量较多,可以让金属逸出更多的光电子,饱和光电流较大,选项D错误.
【迁移拓展】
1.D　[解析] 基态氢原子具有的能量为E1=-13.6 eV,若基态氢原子电离,则需要吸收的光子能量E≥13.6 eV,由题图可知紫外线波段中存在能量E≥13.6 eV的光子,这些光子可以使基态氢原子电离,A错误;氢原子跃迁时辐射的光子能量不超过13.6 eV,由题图可知,X射线的光子能量均大于13.6 eV,故氢原子跃迁时不会辐射X射线波段的光子,B错误;金属钨的逸出功为4.54 eV,由题图可知,红外线的光子能量小于4.54 eV,故不能让金属钨产生光电效应,C错误;n=20的氢原子能量为En=- eV=- eV=-0.034 eV,由题图可知可见光的光子能量大于0.034 eV,故可见光可以使n=20的氢原子失去一个电子变成氢离子,D正确.
题型2
例3　B　[解析] β衰变放出的粒子是电子e,根据质量数和电荷数守恒可知,Tc衰变产物为Ru,故A错误;Tc发生β衰变的原因是弱相互作用,故B正确;用于监测与控制钢板厚度的最佳选择是γ射线,故C错误;20 g放射源Tc经12 h后剩余5 g的Tc未发生衰变,但剩余物质的质量大于5 g,故D错误.
例4　D　[解析] 根据核反应中质量数守恒、电荷数守恒,可知核反应方程式为HHHen,选项A错误;生成物比反应物更稳定,因此生成物的比结合能更大,即氦核的比结合能比氘核的大,选项B错误;发生轻核聚变的条件是原子核之间距离达到原子核的尺度,即达到10-15 m,选项C错误;根据核反应可知,每次核聚变反应后质量亏损为Δm=m氘+m氚-m氦-m中=0.018 9 u,4 g氘参加反应,含有氘核个数N=NA=×6×1023=1.2×1024,质量亏损产生的核能为ΔE=NΔm×931.5 MeV=1.2×1024×0.018 9×931.5 MeV=2.11×1025 MeV,选项D正确.
【迁移拓展】
1.D　[解析] 根据衰变过程中的质量数、电荷数守恒规律可知,发生β衰变后质量数不变,电荷数增加1,即产生N,选项A错误;原子核衰变的电子由原子核内部的中子产生,选项B错误;半衰期不受外界因素干扰,所以不会因为温室效应改变,选项C错误;若测得一古木样品的C含量为活体植物的,说明经过了2个半衰期,因此大约距今时间为5730×2=11 460年,选项D正确.
2.BC　[解析] 裂变产生的快中子要经过与减速剂中的原子核碰撞,速度减小,变成慢中子,才容易被铀核吸收,故A错误;利用中子轰击铀核可以发生裂变反应,核反应方程式可以为UnBaKr+n,故B正确;2.8 t标准煤完全燃烧时释放的化学能为Q1=mQ=2.8×2.93×1010 J≈8.2×1010 J,1 g铀235的物质的量为 mol,个数为n=×6.02×1023个≈2.6×1021个,全部裂变时释放的能量为Q2=nQ0=2.6×1021×200×106×1.6×10-19 J≈8.2×1010 J,故1 g铀235全部裂变时就相当于2.8 t标准煤完全燃烧时释放的化学能,故C正确;裂变产生的核废料放射性极强,难以处理,聚变原料好获取,产能效率更高,更为安全、清洁,故D错误.